專利名稱：利用單光子的量子態(tài)執(zhí)行邏輯操作的技術的制作方法
相關申請的交叉參考本申請要求的優(yōu)先權申請是2001年11月6日提出的臨時申請?zhí)枮?0/332,837和2002年9月30日提出的臨時申請?zhí)枮?0/414,964的美國專利申請，根據(jù)35U.S.C.§119(e)的規(guī)定，這些申請的全部內(nèi)容在此作為參考并入本文。
背景技術：
1、發(fā)明領域本發(fā)明涉及量子信息處理，更具體地說，本發(fā)明涉及利用單光子的量子態(tài)執(zhí)行邏輯操作的技術。
2、相關技術的描述本部分所描述的已有方法即使追溯，也不一定是以前所構思或設想的方法。因此，除非本文另外指明，否則本部分所描述的這些方法不能僅僅由于存在于本發(fā)明的背景部分中，就認為是本申請權利要求書的已有技術。
利用經(jīng)典計算機的信息處理依賴于物理現(xiàn)象，例如能夠在兩個基態(tài)的每一個中產(chǎn)生和測量的磁場、電壓和光強度，其中一個基態(tài)表示0，而另一個基態(tài)表示1。能夠獲得任一基態(tài)的每個物理要素都代表一個被稱作比特(bit)的二進制位。量子信息處理利用展現(xiàn)量子特性的物理要素，這些特性不僅包括兩個或更多基態(tài)中的一個，而且還包括這些基態(tài)的任意疊加態(tài)。疊加態(tài)具有作為基態(tài)之一被測量的一些非零幾率和作為基態(tài)的另一個被測量的一些非零幾率。展現(xiàn)兩個基態(tài)的量子特性的物理要素代表一個量子比特，也稱作庫比特(qubit)。適合代表庫比特的物理要素包括單個電子的自旋、原子或分子的電子態(tài)、分子及固體的核自旋、磁通量、單光子的空間傳播模式以及單光子的偏振作用。
在庫比特上執(zhí)行的邏輯操作不僅施加到這些庫比特的基態(tài)上，而且還同時施加到這些庫比特的疊加態(tài)上。基于庫比特系統(tǒng)上的邏輯操作的量子計算機能夠執(zhí)行高度同時處理(還被稱作高度并行處理)，該處理能夠編址被認為用經(jīng)典信息處理難以解決的問題。這些能夠用量子計算機編址的經(jīng)典難以解決的問題包括量子相互作用的模擬、未分級數(shù)據(jù)的組合搜索、發(fā)現(xiàn)大整數(shù)的質(zhì)因數(shù)、解決目前的保密通信運算中所用的密碼鍵，以及真實保密通信(還稱作“量子密碼術”)。
構建量子計算機的障礙是，難以從環(huán)境與傳輸庫比特的失控相互作用中將庫比特分離出來。許多代表庫比特的物理要素諸如分子和固體都不易傳輸，并且與其環(huán)境沒有很強的相互作用。
然而，單光子與許多環(huán)境(包括玻璃纖維和空氣)幾乎沒有相互作用，并且易于在這些介質(zhì)中傳輸。因此，已經(jīng)有若干種方法利用單光子的量子特性。
一種方法利用單光子之間的非線性相互作用，在單光子上執(zhí)行邏輯操作。而單光子之間的非線性相互作用的問題是，這些相互作用非常弱，因此沒有設備能夠令人滿意地實施這種方法。
另一種方法利用單光子之間的線性相互作用，但是依賴于干涉儀技術，例如對單光子的兩種空間傳播模式進行干涉。諸如，利用該方法的邏輯門已經(jīng)在以下文獻中公開E.Knill，R.Laflamme，and G.J.Milburn，“A scheme for efficientquantum computation with linear optics，”Nature，vol.409，4 January 2001(此后稱作Knill)；M.Koashi，T.Yamamoto，and N.Imoto，“Probabilisticmanipulation of entangled photons，”Physical Review A，vol.63，030301，12February 2001(此后稱作Koashi).將這些設備稱作“幾率”邏輯門，因為它們只響應輸入光子的分數(shù)而執(zhí)行所需的邏輯操作。然而，可以確定何時成功執(zhí)行了一個操作，從而在經(jīng)常被稱作“后選擇”步驟或“檢波后選擇”步驟的一個單獨步驟中，輸出光子被阻塞，除非成功執(zhí)行了該操作。業(yè)已顯示出，該分數(shù)可增大到接近于具有足夠特定態(tài)的分量數(shù)和額外光子(被稱作“附屬物”)數(shù)的一個值。
由Knill提出的幾率線性設備由于在兩個空間模式上具有熱誘導的相移，而產(chǎn)生了誤差。由Koashil提出的其它幾率線性設備通過包括大量的額外分量和其它資源(例如大量特定態(tài)的庫比特源)而減小了這些相移。
基于以上的描述，顯然目前需要能夠在單光子的量子態(tài)上執(zhí)行邏輯操作而沒有以上所述缺陷的設備。更具體地說，顯然需要能夠在單光子的偏振態(tài)上進行操作、而沒有熱誘導的相移、也不需要大量額外分量和資源的邏輯設備。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了利用單光子的量子偏振態(tài)來執(zhí)行邏輯操作的技術。按照本發(fā)明的一個方面，一種邏輯設備包括第一偏振分束器，該分束器具有用于第一組正交偏振的多個第一輸入空間模式和多個第一輸出空間模式。第二偏振分束器具有用于第二組正交偏振(與第一組不同)的第二輸入空間模式和多個第二輸出空間模式。第二輸入空間模式與第一輸出空間模式的檢波輸出空間模式校準。沿來自第二偏振分束器的第二輸出空間模式中的不同模式設置多個單光子檢測器中的每個單光子檢測器。第一設備輸出部分基于由單光子檢測器檢測到的大量光子來承載輸出光子。用于特定組正交偏振的偏振分束器，傳輸?shù)竭_在一個輸出空間模式上具有特定組的一個偏振的特定輸入空間模式上的光子，并且還傳輸?shù)竭_在一個不同輸出空間模式上具有特定組的一個不同偏振的特定輸入空間模式上的光子。
該邏輯設備是幾率的，提供正確的輸出，但僅僅產(chǎn)生時間分數(shù)的輸出。利用基于是哪個單光子檢測器實施檢測的檢波后操作，可使該分數(shù)增大。利用額外光子源或線性分量，或兩者都用，還可進一步增大該分數(shù)。通過利用具有不同組正交偏振的分束器，在單光子的檢測過程中沒有測量與庫比特相關的光子偏振態(tài)，并且在利用該邏輯設備實施操作的過程中可維持光子態(tài)的相干性。
附圖簡述以下示例是用來闡述本發(fā)明，而不是對本發(fā)明的限定，并且在這些附圖中，相同的標號表示相同的部件，其中

圖1A按照一個實施例，表示不同組正交偏振態(tài)之間的關系；圖1B是利用第一組正交偏振態(tài)的偏振分束器的方框圖；圖1C是利用第二組正交偏振態(tài)的偏振分束器的方框圖；圖2A是按照一個實施例表示的量子奇偶檢驗設備的方框圖；圖2B是按照一個實施例表示的圖2A量子奇偶檢驗設備中所用的偏振敏感光子檢測器的方框圖；圖2C、2D、2E、2F表示在非疊加態(tài)上實施操作的圖2A量子奇偶檢驗設備性能的實驗結(jié)果；圖2G表示在疊加態(tài)上實施操作的圖2A量子奇偶檢驗設備性能的實驗結(jié)果；圖3是用于指示出邏輯設備的各個實施例性能的實驗裝置的方框圖；圖4A是按照一個實施例表示的量子破壞CNOT設備的方框圖；圖4B是按照一個實施例表示的圖4A量子破壞CNOT設備中所用的偏振敏感光子檢測器的方框圖4C、4D、4E、4F表示在非疊加態(tài)上實施操作的圖4A量子破壞CNOT設備性能的實驗結(jié)果；圖5是按照一個實施例表示的量子編碼器的方框圖；圖6A是按照一個實施例表示的量子繼電器的方框圖；圖6B是按照一個實施例表示的圖6A量子繼電器中所用的偏振敏感光子檢測器的方框圖；圖6C是按照一個實施例表示的量子繼電器系統(tǒng)的方框圖；圖7是按照一個實施例表示的量子CNOT的方框圖；圖8是按照一個實施例表示的四個交錯光子的光源的方框圖；圖9是按照另一個實施例表示的利用四個交錯光子的量子CNOT的方框圖。
詳細描述以下描述一種利用單光子的量子偏振態(tài)執(zhí)行邏輯操作的方法和裝置。在下面的描述中，為了達到解釋目的，羅列了許多具體的細節(jié)，以便對本發(fā)明進行透徹的了解。然而，對于本領域的技術人員來說，顯然沒有這些具體的細節(jié)也可以實施本發(fā)明。另外，以方框圖的形式示出了一些公知的結(jié)構和設備，以避免使本發(fā)明造成不必要的含糊不清。
1.操作內(nèi)容以下利用指定為水平(H)和垂直(V)的單光子的特定偏振態(tài)，來描述本發(fā)明。在其它實施例中，可采用其它偏振態(tài)。而且，在下文中，對具有兩個垂直輸入空間模式和兩個垂直輸出空間模式的分束器進行描述。在其它實施例中，可以采用具有不同空間模式和更多空間模式的其它偏振分束器。
圖1A是按照圖示實施例表示不同組正交偏振態(tài)之間關系的附圖100。在與光子傳播方向垂直的一個平面內(nèi)，將一個偏振方向指定為H，而將偏振的垂直方向指定為V。用水平軸101和垂直軸102來表示與光子傳播方向垂直的平面。沿正水平軸指向的絕對量1的矢量103代表水平偏振基態(tài)，表示為H。沿正垂直軸指向的絕對量1的矢量104代表垂直偏振基態(tài)，表示為V。這兩個正交偏振代表庫比特偏振的兩個基態(tài)。光子可以同時處于用這兩個基態(tài)的復合疊加所表示的狀態(tài)Ψ中，如公式1所示。
Ψ＝αH+βV (1)
其中α和β是包括實部和正交虛部的復合數(shù)。正如量子信息處理領域所公知的，α2的大小指示出光子在水平偏振時被測量的幾率，而β2的大小指示出光子在垂直偏振時被測量的幾率。如公式2所示，二者的和是1。
|α2|+|β2|＝1 (2)產(chǎn)生總是以水平偏振被測量的光子的光子源生成1H+0V狀態(tài)的光子，而產(chǎn)生總是以垂直偏振被測量的光子的光子源生成0H+1V狀態(tài)的光子。
通過測量幾個相關光子中的一個光子態(tài)，來改變未測量的相關光子的狀態(tài)，這是量子態(tài)眾所周知但非直覺的特性。這與通過測量同第二事件的發(fā)生相關的第一事件的發(fā)生，可改變第二事件發(fā)生幾率的方式類似。據(jù)說該效應可減小據(jù)此操作的光子態(tài)的相干性。對于在量子計算機(可以將幾臺設備一起連接在量子網(wǎng)絡中)中更有用的量子邏輯設備來說，優(yōu)選的是，據(jù)此操作的光子態(tài)的相干性在邏輯設備中不減小。
圖1A還示出了相對于同光子傳播方向垂直的平面內(nèi)的基態(tài)H，V旋轉(zhuǎn)45°的兩個不同的正交偏振(在本文中分別表示為F和S)。在正水平軸之上指向45°的絕對數(shù)1的矢量105代表F。而在正垂直軸之后指向45°的絕對數(shù)1的矢量106代表S。
圖1B是與狀態(tài)H，V相符的那組正交偏振相關的偏振分束器110(此后稱作“H-V PBS”)的方框圖。所示出的分束器110具有包括模式112a，112b的兩個輸入模式112和包括模式114a，114b的兩個輸出模式114，其中這兩個輸入模式代表撞擊在分束器110上的光子的傳播方向，這兩個輸出模式代表遠離分束器110的光子的傳播方向。用于特定組正交偏振的偏振分束器，傳輸?shù)竭_在一個輸出空間模式上具有特定組的一個偏振的特定輸入空間模式上的光子，并且還傳輸?shù)竭_在一個不同輸出空間模式上具有特定組的一個不同偏振的特定輸入空間模式上的光子。
在所示出的實施例中，將具有狀態(tài)1H+0V的空間模式112a中的光子發(fā)射到輸出模式114a中；而將具有狀態(tài)0H+1V的空間模式112a中的光子發(fā)射到輸出模式114b中。在圖示實施例中，模式114a與模式112a校準，而模式114b與模式112a垂直，從而相對于輸入模式112a，輸出模式114a被認為是傳輸輸出模式，輸出模式114b被認為是反射輸出模式。于是，在圖示實施例中，將具有狀態(tài)1H+0V的空間模式112a中的光子發(fā)射到傳輸輸出模式114a中，而將具有狀態(tài)0H+1V的空間模式112a中的光子發(fā)射到反射輸出模式114b中。在其它實施例中，將具有狀態(tài)1H+0V的空間模式112a中的光子發(fā)射到反射輸出模式114b中，而將具有狀態(tài)0H+1V的空間模式112a中的光子發(fā)射到傳輸輸出模式114a中。同樣，在圖示實施例中，將具有狀態(tài)1H+0V的空間模式112b中的光子發(fā)射到傳輸輸出模式114b中，而將具有狀態(tài)0H+1V的空間模式112b中的光子發(fā)射到反射輸出模式114a中。將具有疊加態(tài)的光子發(fā)射到具有一個幾率的一個模式上，以及發(fā)射到具有另一個幾率的一個不同模式(例如反射的)上。
以將近100％的效率傳輸一個基態(tài)和以將近100％的效率反射正交態(tài)的H-V PBSs在本領域內(nèi)是公知的。
圖1C表示的是與第二組正交偏振F，S(此后稱作“F-S PBS”)相關的偏振分束器120的方框圖。圖示的分束器120具有包括輸入模式122a，122b的兩個輸入模式122和包括輸出模式114a，114b的兩個輸出模式114。
在這些圖示的實施例中，將具有F偏振的空間模式122a中的光子發(fā)射到輸出模式124a中，而將具有S偏振的空間模式122a中的光子發(fā)射到輸出模式124b中。在這些圖示的實施例中，模式124a與模式122a校準，而模式124b與模式122a垂直，從而相對于輸入模式122a，輸出模式124a被認為是傳輸輸出模式，而輸出模式124b被認為是反射輸出模式。于是，在這些圖示的實施例中，將具有F偏振的空間模式122a中的光子發(fā)射到傳輸輸出模式124a中，而將具有S偏振的空間模式122a中的光子發(fā)射到反射輸出模式124b中。在其它實施例中，將具有S偏振的輸入空間模式122a中的光子發(fā)射到反射輸出模式124b中。
同樣，在這些圖示的實施例中，將具有F偏振的輸入空間模式122b中的光子發(fā)射到傳輸輸出模式124b中，而將具有S偏振的輸入空間模式122b中的光子發(fā)射到反射輸出模式124a中。
以將近100％的效率傳輸一個基態(tài)和以將近100％的效率反射正交態(tài)的H-V PBSs在本領域內(nèi)是公知的。通過在將光子引導到H-V PBS上之前，將H-V PBS旋轉(zhuǎn)45°或者通過將光子偏振旋轉(zhuǎn)45°，可實施這樣的設備。
2.量子奇偶檢驗設備2.1量子奇偶檢驗設備的結(jié)構概述圖2A是按照一個實施例表示的量子奇偶檢驗設備200的方框圖。對純0態(tài)或純1態(tài)進行量子奇偶檢驗的作用是，在輸入庫比特值與第二輸入庫比特(“檢驗”庫比特)值相同的條件下，將輸入庫比特值傳遞給輸出庫比特。如果狀態(tài)不同，就無光子輸出。例如，如下所述，當輸入光子處于與第二輸入即“檢驗”光子相同的狀態(tài)時，量子奇偶檢驗設備200就產(chǎn)生與輸入光子狀態(tài)相同的輸出光子。因此，無從實現(xiàn)對輸入庫比特值或檢驗庫比特值的測量?？梢酝茝V奇偶檢驗操作，以便施加到疊加態(tài)上(如下所述)。
奇偶檢驗設備200包括H-V PBS210(與圖1B中所示的類似)。H-V PBS210具有包括輸入模式212a(在圖2A中還標記為模式“2”)和檢驗模式212b(在圖2A中還標記為模式“a”)的輸入空間模式212。H-V PBS210具有包括傳輸輸出模式214a(在圖2A中還標記為模式“2”)和檢波輸出模式214b(在圖2A中還標記為模式“c”)的輸出空間模式214。為了圖示目的，假設圖2A中指定的空間模式在水平面上(從上面觀察)。
奇偶檢驗設備200還包括振敏感檢測器220(還標記為“Dc”)，該檢測器用于檢測檢波輸出模式214b上的許多單光子。
奇偶檢驗設備200還包括具有設備輸出240的檢波后處理器230。在經(jīng)典數(shù)據(jù)線232上，將有關檢測器220中測得的光子的經(jīng)典信息傳送給檢波后處理器230。該檢波后處理器可包括一個或多個經(jīng)典信息處理部件。傳輸輸出模式214a也進入檢波后處理器，在該處理器中，傳輸輸出模式214a被阻塞或被變換或未改變地傳輸給設備輸出240。
2.2量子奇偶檢驗的操作輸入光子到達模式212a，而檢驗光子到達模式212b。假設這些光子是同時到達的，即，這兩個光子是在一個時段內(nèi)到達的，該時段比其中任一光子與分束器210相互作用的時段都短。
僅僅為了偏振敏感檢測器220接收一個且只有一個(“1AO1”)光子的情形，就將傳輸模式214a上的光子輸出接收和傳遞給設備輸出240。這種現(xiàn)象只有在靶光子與檢驗光子具有相同偏振的條件下才發(fā)生。例如，如果輸入光子與檢驗光子都處于圖示實施例的H狀態(tài)，則它們都將通過PBS進行直接傳輸，并且只有檢驗光子撞擊檢測器220。如果輸入光子與檢驗光子都處于圖示實施例的V狀態(tài)，則它們都將被反射，并且只有輸入光子撞擊檢測器220。如果輸入光子處于H狀態(tài)，而檢驗光子處于V狀態(tài)，則輸入光子將被傳輸?shù)捷敵瞿Ｊ?14a上，而檢驗光子將被反射到同一輸出模式214a上。無光子在檢波輸出模式214b上傳輸，并撞擊檢測器220。如果輸入光子處于V狀態(tài)，而檢驗光子處于H狀態(tài)，則輸入光子將被反射到檢波輸出模式214b上，而檢驗光子將被傳輸?shù)酵粰z波輸出模式214b上。兩個光子將在檢波輸出模式214b上進行傳輸并撞擊檢測器220。
檢測器220必須在0、1和2個光子之間進行區(qū)分，而無需指出被檢光子的H-V狀態(tài)。因此，檢測器220應該不提供被檢光子的H-V狀態(tài)。
圖2B是按照一個實施例表示的量子奇偶檢驗設備200中所用的偏振敏感光子檢測器220的方框圖。該檢測器具有在0、1和2個光子之間進行區(qū)分而無需測量被檢光子的H-V狀態(tài)的預期特性。
偏振敏感檢測器220包括F-S PBS222(與圖1C中所示的F-S PBS類似)和兩個單光子檢測器224。本領域內(nèi)公知的任何單光子檢測器都可以用作本圖以及后面的附圖中的兩個單光子檢測器中的每一員。為了圖示目的，假設單光子檢測器輸出包括經(jīng)典比特的信號，該經(jīng)典比特在沒有檢測到光子時是0，而在檢測到光子時是1。
使F-S PBS222的輸入模式校準，以接收檢波輸出模式214b(在圖2A和2B中還被標記為“c”)上的光子輸出。在圖示實施例中，利用單光子檢測器224a(用符號“DCF”表示)，來檢測在傳輸輸出模式上由F-S PBS222發(fā)射的F偏振光子；而利用單光子檢測器224b(用符號“DcS”表示)，來檢測在反射輸出模式上由F-S PBS222發(fā)射的S偏振光子。
因為F偏振光子是H和V偏振的等同疊加，因此諸如，對F偏振光子的測量沒有提供有關輸入和檢驗光子的原始H-V狀態(tài)的信息。F-S PBS220的使用據(jù)說可“消除”穿過H-V PBS210的被檢光子中的任何H-V信息，且由此保存了由設備200據(jù)此操作的光子的相干性。
為了表示量子奇偶檢驗設備上疊加態(tài)的幾率效應，為了圖示目的，假設輸入光子具有由公式3a給出的任意偏振態(tài)Ψ，而檢驗光子具有由公式3b給出的特定態(tài)Ψa。雖然此處所提供的理論描述有助于理解這種以及后面的邏輯設備的操作，但是這些實施例并不局限于這些具體的理論描述。
Ψin＝αHin+βVin (3a)Ψa＝(Ha+Va)/√2 (3b)正如本領域內(nèi)所公知的，由這兩個狀態(tài)的矢積給出H-V PBS中的總輸入狀態(tài)Ψin，a。由公式3c給出了在傳輸模式214a(“out”)和檢波模式214b(“c”)上來自H-V PBS分束器的兩個光子的輸出態(tài)Ψout，c。
Ψout，c＝(αHoutHc+βVoutVc+αHoutVout+βHcVc)√2 (3c)最后兩項對應于輸出態(tài)Ψfail，其導致檢測器220上有二或零個光子，這些光子在檢波后處理器230中被阻塞。公式3d給出了分別用F-S偏振、Fc、Sc表示的在檢波模式214b上傳輸?shù)墓庾討B(tài)。
Ψc＝[(αHout+βVout)Fc+(-αHout+βVout)Sc]/2+(Ψfail)/√2 (3d)Fc表示，當在檢測器DcF224a檢測到1AO1光子，而在檢測器DcS224b沒有檢測到光子時，將模式212a上的輸入光子(αHin+βHin)的任意偏振，描繪到模式214a(αHout+βVout)中的光子上。這具有1/4的發(fā)生幾率。Sc表示，當在檢測器DcS224b檢測到1AO1光子，而在檢測器DcF224a沒有檢測到光子時，將模式212a上的輸入光子(αHin+βVin)的任意偏振，描繪到模式214a(-αHout+βVout)中的180°(л弧度)相移光子上。這也具有1/4的發(fā)生幾率。
按照一個實施例，只有當在檢測器DcF224a檢測到1個光子，而在檢測器DcS224b沒有檢測到光子時，檢波后處理器230才將輸出模式214a上的光子傳遞到設備輸出240。該實施例具有1/4的成功幾率。按照另一個實施例，除了當在檢測器DcF224a檢測到1個光子，而在檢測器DcS224b沒有檢測到光子時，將輸出模式214a上的光子傳遞到設備輸出240之外，當在檢測器DcS224b檢測到1個光子，而在檢測器DcF224a沒有檢測到光子時，檢波后處理器230還將輸出模式214上的光子相移180°，并將相移光子傳遞到設備輸出240。該實施例具有1/2的成功幾率。本領域內(nèi)公知的任何方法都可以用于實施180°的相移。例如，根據(jù)檢測器DcS224b中光子的檢測，可以迅速改變Pockel’s池上的偏壓。
應該注意，接受這兩個1AO1檢測中的任一個，都不會提供任何類型的H-V偏振信息，該信息實質(zhì)上用來測量輸入模式212上的輸入光子狀態(tài)并減小據(jù)此操作的光子的相干性。
2.3奇偶檢驗實驗結(jié)果圖3是用于指出邏輯設備的各種實施例性能的實驗裝置300的方框圖。該邏輯設備是由右上部的那些部件模擬的，但是沿324a的部件除外(這些部件用于測試邏輯設備的設備輸出，如下所述)。剩余部件用于產(chǎn)生同時到達模擬設備的兩個光子。
裝置300包括相關狀態(tài)的兩個光子的光源304。具有相關狀態(tài)的光子有時被稱作交錯光子?？梢詫⒅甘境鰴z測幾率、與交錯光子相關的疊加態(tài)表達成兩個單獨疊加態(tài)的矢積，每個疊加態(tài)與一個不同的光子相關。
正如本領域所公知的，裝置300中的光源是II型參數(shù)向下變換晶體(BBO)，其可以產(chǎn)生成對的交錯光子，其中一個垂直偏振，另一個水平偏振。來自Argon-Ion激光器的351.1nm波長的波束激發(fā)此光源。這種光源在以下文獻中有所描述諸如，Y.H Shih and A.V.Sergienko，“Two-photon anti-correlation in aHanbury-Brown-Twiss type experiment，”Physics Letters A，vol.186，p.29，1994(此后稱作Shih)以及M.h.RUBIN，D.N.Klyshko，Y.H.Shih，andA.V.Sergienko，“Theory of two-photon entanglement in type-II opticalparametric down-conversion，”Physics Review A，vol.50，p.5122，1994(此后稱作Rubin)。
裝置300還包括紫外塊306和Shih-Sergienko縱向補償晶體(SS)308。SS308補償將V偏振光子發(fā)射到H偏振光子稍前部的BBO光源特性。有關SS308操作的細節(jié)在Shih和Rubin中有所描述。
裝置300還包括H-V PBS 310(還稱作“PBS1”)，其將成對光子的H偏振光子發(fā)射到空間模式312a上，并沿空間模式312b傳輸H偏振光子。安裝在翻譯臺上的兩個半波雙折射板P1 316a和P2 316b之一以及兩個鏡子M1 318a和M2 318b之一在每個空間模式上的光子到達模擬設備之前對其進行調(diào)整。利用翻譯臺上的鏡子M1318a和M2 318b將這些空間模式的路徑長度調(diào)整到相同的尺寸，以便這兩個光子同時到達模擬邏輯設備。利用半波雙折射板P1 316a和P2 316b將其中任一光子的偏振旋轉(zhuǎn)到其空間模式(有時稱作“路徑”)上的任何所需取向。
該裝置包括第二H-V PBS320(還稱作“PBS2”)，其用作所測試的邏輯設備的部件之一。例如，H-V PBS 320用作量子奇偶檢驗設備200的H-V PBS 210。H-V PBS 320具有兩個輸出空間模式324a，324b。
裝置300包括利用可旋轉(zhuǎn)的偏振分析儀330b(“θ2”)、濾波器340b(“f2”)和單光子檢測器350b(“D2”)構建偏振敏感檢測器。偏振分析器傳遞在分析儀方向上偏振的光子，而阻塞在垂直方向上偏振的光子?？尚D(zhuǎn)的偏振分析儀容易旋轉(zhuǎn)，以改變分析儀的方向。濾波器f2減小了可能泄露到裝置300內(nèi)的雜散光子產(chǎn)生的背景噪聲。
該裝置包括用于測量光子的一些部件，即利用另一可旋轉(zhuǎn)偏振分析儀330a(“θ1”)、另一濾波器340a(“f1”)和另一單光子檢測器350a(“D1”)測量被輸出到檢波后處理器中的光子。
構建裝置300，使之能夠模擬量子奇偶檢驗設備200的一個實施例，在該實施例中，無論何時在單光子檢測器DcF224a檢測到1個光子，而在單光子檢測器DcS224b沒有檢測到光子，輸出都未改變地被接受。如上所述，這具有1/4的發(fā)生幾率。在這種結(jié)構中，將可旋轉(zhuǎn)的偏振分析儀330b相對于H旋轉(zhuǎn)45°，以便在檢測器D2 350b上傳遞和檢測僅具有F偏振的光子。在單光子檢測器DcF224a檢測到1個光子而在單光子檢測器DcS224b沒有檢測到光子的狀況對應于在兩個檢測器D2 350b和D1350a實施光子的重合檢測。由于僅有兩個入射光子，因此D1 350a和D2 350b中的檢測暗示，在檢測器DcS中沒有檢測出具有S偏振的光子。
回到量子奇偶檢驗設備上，圖2C，2D，2E，2F是表示實驗結(jié)果的附圖，這些結(jié)果指示出在非疊加態(tài)上進行操作的圖2A的量子奇偶檢驗設備的性能。每個圖都勾畫出兩個狀態(tài)中的每一個在重合計數(shù)軸252上的重合計數(shù)的數(shù)目，所述狀態(tài)是在軸254上表示的輸出模式324a上測量的。軸254上的0表示，分析儀330a的取向可傳遞H偏振光子；軸254上的1表示，分析儀330a的取向可傳遞V偏振的光子。這些結(jié)果允許量子奇偶檢驗設備的誤差在1％的量級上。
圖2C表示分別在空間模式312a，312b上的兩個輸入光子都是H偏振時的結(jié)果。通過定向半波板P1 316a以使V偏振光子變成H偏振光子，可利用裝置300獲得該圖。在實施重合檢測的每一次，預期輸出是H偏振的光子，即，在旋轉(zhuǎn)分析儀330a以傳遞H偏振光子時，有大量的重合計數(shù)被檢測出，而在旋轉(zhuǎn)分析儀330a以傳遞V偏振光子時，無重合計數(shù)被檢測出。正如分別從計數(shù)262a和264a所看到的，在獲得重合計數(shù)的每一次，輸出模式324a上的光子是H偏振的，且實質(zhì)上對于V偏振的光子無從獲得重合計數(shù)。
圖2D表示當每對中的空間模式312a上的一個輸入光子是H偏振，而空間模式312b上的另一個輸入光子是V偏振時的結(jié)果。通過定向半波板P1 316a以使V偏振光子變成H偏振光子以及定向半波板P2 316b以使H偏振光子變成V偏振光子，可利用裝置300獲得該圖。無論是否旋轉(zhuǎn)分析儀330a以傳遞H偏振光子或V偏振光子，預期輸出都不是重合計數(shù)。正如從計數(shù)262b和264b所看到的，幾乎沒有獲得重合計數(shù)。然而，計數(shù)262b顯示，獲得了一些重合計數(shù)，這代表該實驗項目操作中的小誤差。
圖2E表示當每對中的空間模式312a上的一個輸入光子是V偏振，而空間模式312b上的另一個輸入光子是H偏振時的結(jié)果。通過定向半波板P1 316a和P2 316b以使H偏振光子或V偏振光子不改變，可利用裝置300獲得該圖。無論是否旋轉(zhuǎn)分析儀330a以傳遞H偏振光子或V偏振光子，預期輸出都不是重合計數(shù)(如圖2D所示)。正如從計數(shù)262c和264c所看到的，幾乎沒有獲得重合計數(shù)。然而，計數(shù)262c表明，獲得了一些重合計數(shù)，這代表該實驗項目操作中的小誤差。
圖2F表示分別在空間模式312a，312b上的兩個輸入光子都是H偏振時的結(jié)果。通過定向半波板P2 316b以使H偏振光子變成V偏振光子，可利用裝置300獲得該圖。在實施重合檢測的每一次，預期輸出是V偏振的光子，即，在旋轉(zhuǎn)分析儀330a以傳遞H偏振光子時，無重合計數(shù)被檢測出，而在旋轉(zhuǎn)分析儀330a以傳遞V偏振光子時，有大量的重合計數(shù)被檢測出。正如分別從計數(shù)262b和264b所看到的，在獲得重合計數(shù)的每一次，輸出模式324a上的光子是V偏振的，且實質(zhì)上對于H偏振的光子無從獲得重合計數(shù)。
圖2G是表示實驗結(jié)果的附圖，這些結(jié)果指示出在疊加態(tài)上進行操作的圖2A的量子奇偶檢驗設備的性能。關于公式3d如上所述，當公式3b給出檢驗輸入模式上的光子態(tài)時，將H-V PBS輸入模式上用公式3a表示的任意輸入態(tài)相應地轉(zhuǎn)移到H-VPBS的輸出模式上。公式3b表示相對于H偏振的45°光子偏振。因此，圖2G表示的實驗結(jié)果是基于在裝置300的半波板P2 316b上將進入空間模式312b的H偏振光子旋轉(zhuǎn)45°。應該注意，PBS2 320將輸入模式312a的H分量傳遞到輸出路徑324a中(正如所預期的)。然而，PBS2 320將V分量全部反射到檢波輸出路徑324b中，V分量在此處被單光子檢測器D2 350b所消耗。因此，該設備應該用來自檢驗輸入空間模式312b、被反射到輸出空間模式324a中并具有√2輸入值的垂直分量，來取代公式3b的具有β值的任意V分量。
為了產(chǎn)生圖2G中所表示的實驗結(jié)果，定向半波板P1 316a，以使V偏振光子變成20°偏振的光子。這對應于公式3a中的0.94的α值和0.34的β值。
圖2G中的附圖勾畫出幾個取向中的每一個在重合計數(shù)速率軸258上每分鐘的重合計數(shù)的數(shù)目，所述取向是在軸256上所表示的輸出模式324a上測量的。軸256上的零表示，定向分析儀330a以傳遞H偏振光子；軸256上的90表示，定向分析儀330a以傳遞90°偏振的光子(與V偏振光子相同)。所觀察的計數(shù)速率用具有垂直棒的點來表示，這些垂直棒代表實驗誤差，諸如觀察值272。
預期的結(jié)果是，當獲得重合計數(shù)時，輸出光子在輸入模式312a上都偏振20°。這些偏振光子應該產(chǎn)生追隨正弦平方曲線的觀察值，該曲線在20°和200°具有最大的重合計數(shù)速率，而在110°和290°具有最小的接近于零的計數(shù)速率。正弦平方曲線在經(jīng)驗上配合產(chǎn)生經(jīng)驗配合曲線280的數(shù)據(jù)。這些結(jié)果允許奇偶檢驗設備具有實驗誤差。這證實了所執(zhí)行的奇偶檢驗設備在疊加態(tài)上進行操作時的相干性質(zhì)。
3.量子破壞受控NOT(CNOT)設備3.1量子破壞CNOT的結(jié)構概述圖4A是按照一個實施例表示的破壞CNOT設備400的方框圖。量子CNOT的作用是，如果第二輸入即“控制”庫比特處于純1狀態(tài)，就用來倒裝輸入“靶”庫比特的邏輯值(純0狀態(tài)被倒裝為純1狀態(tài)，而純1狀態(tài)被倒裝為純0狀態(tài))，如果控制庫比特處于純零狀態(tài)，就不起作用。例如，如下所述，量子破壞CNOT設備400在控制光子是H偏振的時候就產(chǎn)生具有與靶光子相同狀態(tài)的輸出光子，在控制光子是V偏振的時候就產(chǎn)生具有倒裝H和V狀態(tài)的輸出光子。因此沒有實現(xiàn)對靶庫比特值或控制庫比特值的測量?？梢酝茝VCNOT的操作，以便施加到疊加態(tài)上(如下所述)。破壞CNOT與CNOT具有相同的功能，但卻消耗處理過程中的控制光子，因此控制光子不是來自設備的輸出的一部分。
破壞CNOT設備400包括F-S PBS410(與圖1C中所示的類似)。H-V PBS410具有包括靶輸入模式412a(在圖4A中還標記為模式“3”)和控制輸入模式412b(在圖4A中還標記為模式“b”)的輸入空間模式412。H-V PBS410具有包括傳輸輸出模式414a(在圖4A中還標記為模式“3”)和檢波輸出模式414b(在圖4A中還標記為模式“d”)的輸出空間模式414。為了圖示目的，假設圖4A中所示的空間模式在水平面上(從上面觀察)。
破壞CNOT設備400還包括用于檢測檢波輸出模式414b上的許多單光子的偏振敏感檢測器420(還標記為“Dd”)。
破壞CNOT設備400還包括具有設備輸出440的檢波后處理器430。在經(jīng)典數(shù)據(jù)線432上，將檢測器420中所檢測的有關光子的信息傳送到檢波后處理器430中。檢波后處理器430可包括一個或多個經(jīng)典信息處理部件。傳輸輸出模式414a還進入檢波后處理器430，其在此處被阻塞或被變換或未改變地傳遞到設備輸出440中。
3.2量子破壞CNOT的操作靶光子到達模式412a，而控制光子到達模式412b。假設這兩個光子同時到達，即，這兩個光子是在一個時段內(nèi)到達的，該時段比其中任一光子與分束器410相互作用的時段都短。
僅僅對于偏振敏感檢測器420接收一個且只有一個(“1AO1”)光子的那些情形，將傳輸模式414a上的光子輸出接受并傳遞到設備輸出440中。
檢測器420必須在0、1和2個光子的到達之間進行區(qū)分，而無需指示出靶光子和控制光子的H-V狀態(tài)。然而，由于模式414b上的檢波光子處于作為F-S PBS410的結(jié)果的F-S基準中，所以這些光子沒有提供有關靶光子和控制光子的H-V狀態(tài)的信息。因此檢測器420可提供被檢光子的H-V狀態(tài)。
圖4B是按照一個實施例表示的、圖4A的量子奇偶檢驗設備中所用的偏振敏感光子檢測器420的方框圖。該檢測器具有在0、1和2個光子之間進行區(qū)分而無需測量靶光子和控制光子的H-V狀態(tài)的預期特性。
偏振敏感檢測器420包括H-V PBS422(與圖1B中所示的H-V PBS類似)和兩個單光子檢測器424。校準H-V PBS422的輸入模式，以便將光子輸出接收到檢波輸出模式414b(在圖4A和圖4B中還標記為“d”)上。在這個圖示實施例中，利用單光子檢測器424a(用符號“DdH”表示)，來檢測在傳輸輸出模式上由H-V PBS422發(fā)射的H偏振光子；而利用單光子檢測器424b(用符號“DdV”表示)，來檢測在反射輸出模式上由F-S PBS422發(fā)射的V偏振光子。
因為F偏振光子是H和V偏振的等同疊加，所以例如，對F偏振光子的測量沒有提供有關靶光子和控制光子的原始H-V狀態(tài)的信息。F-S PBS410的使用據(jù)說，消除了穿過F-S PBS 422的被檢光子中的任何H-V信息，并由此保存由設備400據(jù)此操作的光子的相干性。
為了表明量子破壞CNOT設備上的疊加態(tài)的幾率效應，為了圖示目的假設，靶光子具有由公式3a給出、且為了簡便起見被重復為公式4a的任意偏振態(tài)Ψin。檢驗光子最初被認為是垂直偏振的，且具有由公式4b給出的特定態(tài)Ψb。
Ψin＝αHin+βVin (4a)Ψb＝Vb (4b)正如本領域內(nèi)所公知的，由這兩個狀態(tài)的矢量矢積給出了F-S PBS中的總輸入狀態(tài)Ψin，b。書寫FS基準中的這些狀態(tài)給出了被表達為公式4c中的矢積(X)的總輸入狀態(tài)。
Ψin，b＝{(α[Fin-Sin]+β[Fin+Sin])√2}×{(Fb+Sb)/√2}(4c)公式4d給出了在傳輸模式414a(“out”)和檢波模式414b(“d”)上來自F-S PBS分束器的兩個光子的輸出態(tài)Ψout，d。
Ψout，d＝1/2(α[Fd Fin-Sd Sin]+β[Fd Fin+Sd Sin])+Ψfail2/√2(4d)
Ψfail2中的狀態(tài)導致檢測器420中具有兩個或零個光子，從而使輸出光子在檢波后處理器430中被阻塞。如果將其書寫成H-V偏振的形式，這就變成由公式4e給出的表達式。
Ψout，d＝1/2(Hd[αVout+βHout]+Vd[αHout+βVout])+Ψfail2/√2(4e)Hd表示，當在檢測器DdH424a檢測到1OA1個光子，而在檢測器DdV424b沒有檢測到光子時，將模式412a上的輸入光子(αHin+βVin)的任意偏振倒裝成模式414a中的光子(αVout+βHout)。這個來自CNOT的預期輸入具有1/4的發(fā)生幾率。Vd表示，當在檢測器DdV424b檢測到1OA1個光子，而在檢測器DdH424a沒有檢測到光子時，將模式412a上的輸入光子(αHin+βVin)的任意偏振直接勾畫成模式414a中的光子(αVout+βHout)。這也具有1/4的發(fā)生幾率。為了將該輸出光子轉(zhuǎn)變成預期的倒裝光子，涉及到對輸出光子進行進一步的操作，諸如將偏振旋轉(zhuǎn)90°，然后施加180°(π弧度)的相移。如果在該情形中輸入被如此變換，那么可獲得具有1/2幾率的預期輸出。
為了進一步表明量子破壞CNOT設備上的疊加態(tài)的幾率效應，為了圖示目的假設，靶光子具有由公式4a給出的任意偏振態(tài)Ψin(如上所述)，而控制光子是H偏振的，由公式4f給出。
Ψb＝Hb (4f)后面的步驟與生成公式4e的那些步驟類似，表明H偏振的控制光子的輸出態(tài)由公式4g給出。
Ψout，d＝1/2(Hd[αHout+βVout]+Vd[αVout+βHout])+Ψfail3/√2 (4g)Ψfail3中的狀態(tài)導致檢測器420中具有兩個或零個光子，從而使輸出光子在檢波后處理器430中被阻塞。Hd表示，當在檢測器DdH424a檢測到1OA1個光子，而在檢測器DdV424b沒有檢測到光子時，將模式412a上的輸入光子(αHin+βVin)的任意偏振直接勾畫成模式414a中的光子(αVout+βHout)。這個來自CNOT的預期輸出具有1/4的發(fā)生幾率。Vd表示，當在檢測器DdV424b檢測到10A1個光子，而在檢測器DdH424a沒有檢測到光子時，將模式412a上的輸入光子(αHin+βVin)的任意偏振倒裝成模式414a中的光子(αVout+βHout)。這也具有1/4的發(fā)生幾率。為了將該輸出光子轉(zhuǎn)變成具有預期的未倒裝偏振的光子，涉及到對輸出光子進行進一步的操作，諸如將偏振旋轉(zhuǎn)90°，然后施加180°(π弧度)的相移。
按照一個實施例，只有當在檢測器DdH424a檢測到1個光子，而在檢測器DdV424b沒有檢測到光子時，檢波后處理器430才將輸出模式414a上的光子傳遞給設備輸出440。該實施例具有1/4的成功幾率。按照另一個實施例，除了當在檢測器DdH424a檢測到1個光子，而在檢測器DdV424b沒有檢測到光子時，將輸出模式414a上的光子傳遞給設備輸出440之外，當在檢測器DdV424b檢測到1個光子，而在檢測器DdH424a沒有檢測到光子時，檢波后處理器430還將光子偏振旋轉(zhuǎn)90°，并將輸出模式214上的光子相移180°，且將旋轉(zhuǎn)相移光子傳遞給設備輸出440。該實施例具有1/2的成功幾率。本領域內(nèi)公知的任何方法都可用于實施180°的相移和90°的旋轉(zhuǎn)。例如，可以利用半波雙折射板來旋轉(zhuǎn)輸出模式414a上的光子。
應該注意，接受這兩個1AO1檢測的任一個都不提供任何類型的H-V偏振信息，該信息實質(zhì)上用來測量輸入模式412上的靶光子和控制光子，并減小據(jù)此操作的光子的相干性。
3.3破壞CNOT的實驗結(jié)果構建圖3中的裝置300，使之模擬量子破壞CNOT設備400的一個實施例，其中無論何時在單光子檢測器DdH424a檢測到1個光子，而在單光子檢測器DdV224b沒有檢測到光子，輸出都未改變地被接受。如上所述，這具有1/4的發(fā)生幾率。
在這種結(jié)構中，PBS2 320的基準被認為是F偏振，而H偏振相對于F偏振被旋轉(zhuǎn)-45°。因此，通過將可旋轉(zhuǎn)的偏振分析儀330b旋轉(zhuǎn)-45°，來執(zhí)行檢測器DdH424a。在單光子檢測器DdH424a檢測到1個光子，而在單光子檢測器DdV424b沒有檢測到光子的狀況對應于在檢測器D2 350b和D1 350a上實施光子的重合檢測。由于只有兩個入射光子，因此在D1 350a和D2 350b上實施的檢測暗示，在檢測器DdV中沒有檢測到具有V偏振的光子。
圖4C，4D，4E，4F是表示實驗結(jié)果的附圖，這些結(jié)果指示出在非疊加態(tài)上進行操作的圖4A的量子破壞CNOT設備的性能。每個圖都勾畫出兩個狀態(tài)中的每一個在重合計數(shù)軸452上的重合計數(shù)的數(shù)目，所述狀態(tài)是在軸454上表示的輸出模式324a上測量的。軸454上的零表示，使分析儀330a相對于PBS2 320的基準呈-45°定向，以傳遞H偏振光子；軸454上的1表示，使分析儀330a相對于PBS2 320的基準呈+45°定向，以傳遞V偏振光子。這些結(jié)果允許CNOT設備的誤差在18％的量級上。
例如，圖4C表示分別在空間模式312a，312b上的兩個輸入光子(即靶光子和控制光子)都是H偏振時的結(jié)果。通過定向半波板P1 316a以使相對于PBS2 320的基準90°偏振的光子變成H偏振(相對于PBS2 320的基準偏振-45°)光子，可利用裝置300獲得該圖。同樣，定向半波板P2 316b以使0°偏振的光子變成-45°偏振光子。預期的輸出是非倒裝輸出，即在實施重合檢測的每一次，預期輸出是H偏振的光子。在將分析儀330a旋轉(zhuǎn)-45°以傳遞H偏振光子時，這意味著有大量的重合計數(shù)，而在將分析儀330a旋轉(zhuǎn)+45°以傳遞V偏振光子時，這意味著無重合計數(shù)。正如分別從計數(shù)462a和464a所看到的，當獲得82.2％的重合計數(shù)時，輸出模式324a上的光子是H偏振的(正如所預期的那樣)；當獲得17.8％的重合計數(shù)時，這些光子是V偏振的(這是誤差)。
圖4D表示當每對中的空間模式312a上的靶光子是H偏振的，而空間模式312b上的控制光子是V偏振時的結(jié)果。無論何時有重合計數(shù)，預期輸出都是靶光子的倒裝態(tài)即V偏振的。正如分別從計數(shù)462b和464b所看到的，當獲得82％的重合計數(shù)時，輸出模式324a上的光子是V偏振的(正如所預期的那樣)；當獲得18％的重合計數(shù)時，這些光子是H偏振的(這是誤差)。圖4E表示當每對中的空間模式312a上的靶光子是V偏振的，而空間模式312b上的控制光子是H偏振時的結(jié)果。無論何時有重合計數(shù)，預期輸出都是靶光子的倒裝態(tài)即V偏振的。正如分別從計數(shù)462c和464c所看到的，當獲得82.7％的重合計數(shù)時，輸出模式324a上的光子是V偏振的(正如所預期的那樣)；當獲得17.3％的重合計數(shù)時，這些光子是H偏振的(這是誤差)。圖4F表示當分別在空間模式312a，312b上的輸入光子(即靶光子和控制光子)都是V偏振的時候的結(jié)果。無論何時有重合計數(shù)，預期輸出都是靶光子的倒裝態(tài)即H偏振的。正如分別從計數(shù)462d和464d所看到的，當獲得86.3％的重合計數(shù)時，輸出模式324a上的光子是H偏振的(正如所預期的那樣)；當獲得13.7％的重合計數(shù)時，這些光子是V偏振的(這是誤差)。
圖4C，4D，4E，4F表示的結(jié)果是針對所有的輸入庫比特都是0值或1值的情形。在其它情形中，代表這兩個狀態(tài)的疊加的誤差有時遠遠小于1％。平均誤差，在所有可能的輸入狀態(tài)之上時，為大約8％。希望這些誤差主要是由于偏振分束器的光學質(zhì)量造成的，而這些分束器是商業(yè)級質(zhì)量的并具有四分之一波長量級的失真。通過利用偏振分束器和單模式光纖，期望誤差速率小得多。
通過輸入狀態(tài)的疊加，可獲得與表示在圖2G上部的那些結(jié)果類似的相關結(jié)果。這表明，無需測量輸入庫比特的狀態(tài)而執(zhí)行破壞CNOT的操作，且該操作可用于邏輯設備的量子網(wǎng)絡。
4.量子編碼器
4.1量子編碼器的結(jié)構概述圖5是按照一個實施例表示的量子編碼器500的方框圖。量子編碼器的作用是，將一個輸入庫比特值編碼成兩個輸出空間模式。例如，如下所述，量子編碼器500產(chǎn)生兩個與輸入光子具有相同偏振的輸出光子。沒有實現(xiàn)對輸入庫比特值或輸出庫比特值的測量，從而保存了相干性并將量子的編碼與量子的無性繁殖區(qū)分開。
量子編碼器500將量子奇偶檢驗設備200與兩個交錯光子的光源550結(jié)合起來。多個交錯光子具有不能被表達成單獨光子單獨狀態(tài)的矢積的狀態(tài)。交錯光子的這些狀態(tài)是相關的，因此不是獨立的。正如以上參照圖2A所述的，奇偶檢驗設備200包括H-V PBS 210，H-V PBS 210具有被引導到偏振敏感檢測器Dc 220的輸出空間模式214b和被引導到檢波后處理器230的輸出空間模式214a。來自量子奇偶檢驗設備的設備輸出240用作量子編碼器500的第一設備輸出540a。
來自光源500的一個光子用作與輸入模式212b(在圖5中還標記為“a”)校準的量子奇偶檢驗設備200的檢驗光子。將來自光源500的另一個光子發(fā)射到空間模式552(在圖5中還標記為“b”)上。
編碼器500還包括具有第二設備輸出540b的另一檢波后處理器530。在經(jīng)典數(shù)據(jù)線532上，將有關檢測器220上所檢測的光子的信息發(fā)送到檢波后處理器530中。檢波后處理器530可包括一個或多個經(jīng)典信息處理部件。光源輸出模式552上的來自光源550的第二個光子也進入檢波后處理器530，在此處其可以被阻塞或被變換或未改變地傳遞到第二設備輸出540b中。
4.2量子編碼器的操作在這個圖示實施例中，以下公式給出了由光源550發(fā)射的這兩個光子的交錯狀態(tài)Φa，bΦa，b＝(HaHb+VaVb)/√2 (5a)利用來自光源550的光子的這個交錯態(tài)，以及公式3a中給出的任意偏振輸入態(tài)，可表明，檢測器Dc 220對1AO1光子的成功檢測選擇出公式5b中給出的變轉(zhuǎn)換ψ編碼器。
ψ編碼器＝αHaHb+βVaVb (5b)公式5b表明，在兩個設備輸出540a，540b上輸出兩個交錯光子，其中每個光子具有分別對應于H和V狀態(tài)的α和β波幅。當量子編碼器的操作發(fā)生于量子奇偶檢驗中時，其具有1/2的成功幾率。
5.量子繼電器5.1量子繼電器的結(jié)構概述圖6A是按照一個實施例表示的量子繼電器600的方框圖。量子繼電器的作用是，輸出與庫比特通訊通道上的輸入庫比特狀態(tài)相同的庫比特，如果量子非破壞(QND)測量證實實際上已經(jīng)輸入庫比特的話。例如，如下所示，量子繼電器600輸出與輸入光子具有相同偏振態(tài)的光子，如果輸入光子實際上已經(jīng)被接收到模式212a上的話。沒有實現(xiàn)對輸入庫比特或輸出庫比特的H-V狀態(tài)的測量，從而保存了庫比特的相干性。將量子繼電器與量子中繼器區(qū)分開，這是因為量子繼電器無需對光子進行長時間的交錯純化或儲存。
量子繼電器600將量子編碼器500與第二偏振敏感檢測器D2 620以及檢波后處理器630中的附加檢波后操作結(jié)合起來。檢波后處理器630包括編碼器500的檢波后處理器230，530的操作。
正如以上參照圖5所述的那樣，量子編碼器500包括H-V PBS 210，H-V PBS 210具有被引導到偏振敏感檢測器Dc 220的輸出空間模式214b，和輸出空間模式214a。量子編碼器500還包括兩個交錯光子的光源550。在被輸入到H-V PBS 210的空間模式212b(在圖5和圖6A中還標記為“a”)上，輸出來自光源500的一個光子。將來自光源550的另一個交錯光子發(fā)射到空間模式552(在圖5和圖6中還標記為“b”)上。將有關檢測器Dc 220上所檢測的光子的信息，通過經(jīng)典數(shù)據(jù)線232發(fā)送到檢波后處理器230中，通過數(shù)據(jù)線532發(fā)送到檢波后處理器530中。在圖6A中，數(shù)據(jù)線232和532由連接到后處理器630上的線632來表示。
此外，量子繼電器600將輸出模式214a引導到第二偏振敏感檢測器D2 620中。量子繼電器600包括將有關檢測器D2 620上所檢測的光子的信息(一般為一個或多個經(jīng)典比特)傳遞到檢波后處理器630中的線632b。
檢波后處理器630可包括一個或多個經(jīng)典信息處理部件。光源輸出模式552上的來自光源550的第二個光子也進入檢波后處理器630，在此處其可以被阻塞或被變換或未改變地傳遞到繼電器設備輸出640中。雖然量子繼電器600的這個圖示實施例表明，通過鏡子664將輸出模式552引導到檢波后處理器630內(nèi)，但是在其它實施例中可以省略鏡子664。在圖示實施例中，檢波后處理器還輸出經(jīng)典門信號642。門信號642上的經(jīng)典比特，在光子已經(jīng)被接收到輸入模式212a上時具有1值，在光子還沒有接收到輸入模式212a上時具有0值。
圖6B是按照一個實施例表示的、圖6A的量子繼電器中所用的偏振敏感光子檢測器620的方框圖。該檢測器具有在0、1和2個光子之間進行區(qū)分而無需測量被測光子的H-V狀態(tài)的預期特性。偏振敏感檢測器620包括F-S PBS 622(與圖1C中所示的F-S PBS類似)和兩個單光子檢測器624。校準F-S PBS 222的輸入模式，以便將光子輸出接收到輸出模式214a(在圖6A和圖6B中還標記為“2”)上。在這個圖示實施例中，利用單光子檢測器624b(用符號“D2F”表示)，來檢測由F-S PBS 622在傳輸輸出模式上發(fā)射的F偏振光子；而利用單光子檢測器624a(用符號“D2S”表示)，來檢測由F-S PBS 622在反射輸出模式上發(fā)射的S偏振光子。
5.2量子繼電器的操作通過在輸出路徑214a(在圖6A中還標記為“2”)上添加第二偏振敏感檢測器D2 620，而將量子編碼器轉(zhuǎn)換成量子非破壞(QND)測量設備。對于具有公式3a給出的任意狀態(tài)的空間模式212a上的輸入光子，如果在檢測器220，620上檢測到1AO1光子，那么用符號ψb，c，2表示的系統(tǒng)的投影態(tài)(不包括在任一檢測器上導致0或2個光子被檢測的狀態(tài))可由公式6給出。
ψb，c，2＝1/2(αHb[F2Fc+S2Fc+F2Sc+S2Sc]+βVb[F2Fc-S2Fc-F2Sc+S2Sc] (6)其中“b”代表輸出空間模式552上的光子。公式6表明，如果檢波后處理器630經(jīng)過僅包括DF2和DcF(F2和Fc)或僅包括D2S和DcF(S2和Fc)的檢測，并使用于僅包括D2S和DcF(S2和Fc)或僅包括D2F和DcS(F2和Sc)檢測的β信號反轉(zhuǎn)，設備輸出640就能夠產(chǎn)生αH+βH的預期狀態(tài)。量子繼電器600對只有當輸入光子存在時產(chǎn)生經(jīng)典信號的意識中的輸入光子實施幾率QND測量，而不影響輸入光子的偏振態(tài)。量子繼電器具有1/2的成功幾率。
通過當輸入模式212a中無光子存在時考慮該設備，可理解將第二檢測器620置于輸出模式214a上而不是置于輸出模式552上的效用。在該情形中，不能達到用于這兩個檢測器的接合1AO1狀況，因為僅僅檢測器210，620之一接收模式212b(還標記為模式“a”)上的附屬光子輸出。如果將第二檢測器620移到輸出模式552，那么該設備甚至當輸出模式212a中不存在光子時，也滿足來自這兩個附屬光子的兩個檢測器上的1AO1光子狀況。
可以合并來自檢測器220，620的經(jīng)典信號，以提供經(jīng)典門信號642，例如，當在兩個檢測器上檢測到1AO1光子時具有1值、否則具有0值的比特。
5.3量子繼電器在量子密碼術中的應用可將量子繼電器施加到量子通訊系統(tǒng)中，例如用于量子密碼術。目前利用光纖的最大范圍的量子密碼術系統(tǒng)局限于衰減(信息承載光子在穿過光纖傳播時的損耗)和黑計數(shù)(一種形式的檢測器噪聲，在該噪聲中當沒有信息承載光子撞擊到檢測器上時，檢測器就給出指示檢測的信號)的組合。密碼信息處理(例如誤差校正和保密放大)在信息承載光子的數(shù)目可與檢測器的黑計數(shù)相比時變得越來越無效，且密碼系統(tǒng)的有效量迅速向零下降。
利用量子中繼器可擴大該范圍。優(yōu)選的是，用量子繼電器而不是用量子中繼器擴大該范圍，因為量子繼電器無需實施量子中繼器所需的諸如對光子進行長時間的交錯純化和儲存這些難以執(zhí)行的步驟。衰減依然發(fā)生，但是利用QND測量抑制了黑計數(shù)的效應。這增大了信號噪聲比并增大了密碼處理的效率。通過貫穿光纖通訊通道最佳分配量子繼電器，檢測器噪聲的撞擊可以忽略。
圖6C是按照一個實施例表示的量子繼電器系統(tǒng)600的方框圖。發(fā)射器680產(chǎn)生一系列光子682b，其中每一個光子具有特定的偏振，該偏振指示出在光纖上傳輸?shù)浇邮掌?90中的庫比特值。例如，在光子682a上編碼一個庫比特的加密信息，以便傳輸?shù)浇邮掌?90中，在接收器690中翻譯該庫比特，以生成一庫比特或多個經(jīng)典比特的平面文本信息。沿光纖設置一組一個或多個量子繼電器；例如，在圖示實施例中，沿將發(fā)射器680與接收器690連接起來的光纖分布量子繼電器670a，670b，670c(一起被當作量子繼電器670)。
每個繼電器670執(zhí)行QND測量，以確定光子是否被接收在其輸入模式上，或者光子是否已經(jīng)在通過光纖到達那一點的傳輸中丟失。如果在傳輸線中的一些點之外沒有檢測到光子，就利用經(jīng)典門信號來忽略該事件并且不接受來自接收器690中的檢測器的任何輸出。
例如，如果量子繼電器670a檢測光子輸出模式上的光子，該繼電器就將其門信號672a設置到1值以表明至該點的成功傳輸，并輸出與光子682A具有相同偏振態(tài)信息的光子682b。同樣，如果量子繼電器670b，670c在光子的輸入模式上檢測這些光子，這些繼電器就將其門信號672b，672c分別設置到1值以表明至該部位的成功傳輸，并分別輸出光子682c，682d。當接收器690檢測光子，同時將門信號672c的值設置到1時，接收器690接受作為庫比特承載光子的光子，并處理被檢庫比特值。
如果，例如，量子繼電器670b在光子的輸入模式上沒有檢測到光子，那么就將其門信號672b設置到0值以表明此時沒有接收到庫比特承載光子。將這個門信號傳輸?shù)搅孔永^電器670c，從而又將0值轉(zhuǎn)換成門信號762c?；陂T信號672c的值，接收器690被證實此時沒有獲得庫比特承載光子。即使接收器690中的檢測器此時產(chǎn)生黑計數(shù)，也可忽略計數(shù)。在接收器690中這具有抑制黑計數(shù)的效應，從而減小了噪聲并增大了噪聲信號。結(jié)果，增大了量子處理技術(例如量子密碼處理過程中的誤差校正和保密放大)的效果。
可利用任何方法將在量子繼電器接收的門信號轉(zhuǎn)換成由量子繼電器輸出的門信號。例如，可以將門信號輸入施加到包括經(jīng)典邏輯操作的檢波后處理器630中，這些邏輯操作除了需要來自檢測器220，620的1AO1檢測之外，還需要從另一量子繼電器接收的門信號，以便具有1值。
重要的是，包括量子繼電器670自身中的檢測器黑計數(shù)效應和庫比特承載光子的幾率檢測。由這些繼電器產(chǎn)生的任何寄生光子在通過光纖傳播時都將被衰減。只要繼電器670距離接收器690足夠遠，衰減就導致來自這些寄生光子的收益比接收器690中的黑計數(shù)小得多。而且，與幾率QND測量相關的1/2損耗分數(shù)比誤差校正和保密放大(發(fā)生在無量子繼電器670提供的黑計數(shù)抑制的條件下)中的失效小得多。
6.量子非破壞CNOT設備6.1量子CNOT的結(jié)構概述圖7是按照一個實施例表示的量子非破壞CNOT700的方框圖。如上所述，用于偏振光子的量子CNOT的作用是，當控制光子是H偏振的時候產(chǎn)生與靶光子具有相同狀態(tài)的輸出光子，當控制光子是V偏振的時候產(chǎn)生具有倒裝H和V狀態(tài)的輸出光子?？赏茝VCNOT的操作，以便施加到控制光子的疊加態(tài)中(如上所述)。該CNOT與上述的破壞CNOT執(zhí)行相同的功能，但不消耗處理過程中的控制光子；這樣，該量子CNOT能夠輸出與控制光子具有相同偏振態(tài)的光子。
CNOT 700將量子編碼器500a的一個實施例與破壞CNOT400結(jié)合起來，以產(chǎn)生兩個設備輸出740a，740b。利用模式5552上的編碼器設備輸出之一來輸出用作破壞CNOT400的控制輸入的光子。當編碼器成功的時候，利用編碼器的另一個設備輸出，將模式212a上的控制輸入光子的狀態(tài)傳播到第一CNOT輸出740a中。第二編碼器740基于控制光子的狀態(tài)，承載與輸入模式412a上的靶光子具有相同狀態(tài)或具有倒裝H-V狀態(tài)的光子。這樣，兩個輸出740a，740b分別傳遞控制光子的信息以及靶光子的倒裝或非倒裝狀態(tài)。
正如以上參照圖5所述的，量子編碼器500將量子奇偶檢驗設備200與兩個交錯光子的光源550結(jié)合起來。正如以上參照圖2A所述的，奇偶檢驗設備200包括H-V PBS210，其具有指向偏振敏感檢測器Dc 220的輸出空間模式214b和指向檢波后處理器230的輸出空間模式214b。在數(shù)據(jù)線232上，將有關檢測器220中所檢測的光子的信息傳遞到檢波后處理器230中。在圖示的實施例中，CNOT檢波后處理器730a包括量子奇偶檢驗設備檢波后處理器230。來自量子奇偶檢驗設備的設備輸出240用作量子編碼器500的第一設備輸出540a，而540a又用作CNOT700的第一設備輸出740a。
來自光源550的一個光子用作與輸入模式212b(在圖7中還標記為“a”)校準的量子奇偶檢驗設備200的檢驗光子。將來自光源550的另一個光子發(fā)射到空間模式552(在圖5中還標記為“b”)上，在此處其變成破壞CNOT400的控制光子。
編碼器500還包括具有第二設備輸出540b的另一個檢波后處理器530。在經(jīng)典數(shù)據(jù)線532上，將有關在檢測器220中測得的光子的信息傳送給檢波后處理器530。該檢波后處理器可包括一個或多個經(jīng)典信息處理部件。來自光源輸出模式552上的光源550的第二光子也進入檢波后處理器530，在該處理器中，其可以被阻塞或被變換或未改變地傳輸給第二設備輸出540b。在圖示實施例中，檢波后處理器730a或730b或二者中的操作替代編碼器500的實施例500a的檢波后處理器530中執(zhí)行的操作。
正如以上參照圖4所述的，破壞CNOT400包括F-S PBS 410(與圖1C中所示的類似)。F-S PBS 410具有包括靶輸入模式412a(在圖7中還標記為模式“3”)和控制輸入模式412b(在圖7中還標記為模式“b”)的輸入空間模式412。F-S PBS 410具有包括傳輸輸出模式414a(在圖7中還標記為模式“3”)和檢波輸出模式414b(在圖7中還標記為模式“d”)的輸出空間模式414。破壞CNOT400還包括用于檢測檢波輸出模式414b上的許多單光子的偏振敏感檢測器420(還標記為“Dd”)。破壞CNOT400還包括具有設備輸出440的檢波后處理器430。在通訊線432上將有關檢測器420中檢測的光子的信息傳送到檢波后處理器430中。該檢波后處理器430可包括一個或多個經(jīng)典信息處理部件。傳輸輸出模式414a也進入檢波后處理器430，在該處理器中，其可以被阻塞或被變換或未改變地傳輸給設備輸出440。在圖示實施例中，CNOT檢波后處理器730b包括破壞CNOT檢波后處理器430。來自破壞CNOT的設備輸出440b用作CNOT700的第二設備輸出740b。
在圖示實施例中，通過數(shù)據(jù)線732將有關編碼器中檢測的光子的信息傳送到檢波后處理器730b中。在其它實施例中，諸如在編碼器中包括檢波后處理器530的實施例中，可以省略數(shù)據(jù)線732。
6.2量子CNOT的操作由于量子奇偶檢驗設備200和破壞CNOT400各自具有1/2的成功幾率，因此CNOT700具有1/4的成功幾率。
通過考慮分別用于輸入模式2’(212a)和3’(412a)上的控制光子和靶光子的任意輸入態(tài)(用Ψ2’3’表示)(由公式7a給出)，可解釋CNOT的操作。
Ψ2’3’＝α1H2’H3’+α2H2’V3’+α3V2’H3’+α4V2’V3’ (7a)由公式7b給出總狀態(tài)Ψt。
Ψt＝Ψ2’3’×Φa，b (7b)其中Φa，b是來自光源550的交錯光子的狀態(tài).因此表明，總狀態(tài)Ψt在TCNOT700之下演變成由公式7b給出的最后的總狀態(tài)ΨT。
ΨT＝1/4{FcHd[α1H2H3+α2H2V3+α3V2V3+α4V2H3]+ScHd[-α1H2H3-α2H2V3+α3V2V3+α4V2H3]+FcVd[α1H2V3+α2H2H3+α3V2H3+α4V2V3]+ScVd[-α1H2V3-α2H2H3+α3V2H3+α4V2V3]}+1/2Ψfail4√3(7c)其中Ψfail4是在每個偏振敏感檢測器Dc220，Dc420中沒有產(chǎn)生1AO1光子的所有波幅的歸一化集合。
當在DcF224a中檢測到1AO1光子，以及在DdH224a檢測到1AO1光子時，就獲得波形括號內(nèi)的四項中的第一項，并且該項給出具有1/6成功幾率的在公式7a的輸入態(tài)上進行的預期CNOT傳輸。這對應于量子奇偶檢驗設備200和破壞CNOT400的被動成功狀況。波形括號內(nèi)的四項中的后三項出現(xiàn)于每個Dc220和Dc420中檢測的1A01光子的不同集合中，并需要上述量子奇偶檢驗設備和破壞CNOT中所用的經(jīng)典受控單光子操作的不同適當結(jié)合，這些操作可在檢波后處理器730a或730b或二者中執(zhí)行。然后合并這四項，以便具有1/4的總幾率。
波形括號內(nèi)的第二項對應于DcS224b中的檢測，該檢測根據(jù)使H2的波幅反轉(zhuǎn)的輸出模式214a(還標記為“2”)上的180°相移，應該觸發(fā)偏振。波形括號內(nèi)的第三項對應于DdV224b中的檢測，該檢測應該觸發(fā)輸出模式414a(還標記為“3”)中的光子上的狀態(tài)倒裝，從而使H3和V3的波幅交換。波形括號內(nèi)的第三項對應于這些檢測，并因此觸發(fā)這些單光子操作。
沒有獲得對靶庫比特或控制庫比特的H-V狀態(tài)的測量，從而在該CNOT設備的操作過程中保存了庫比特的相于性。
7.四個交錯光子的光源需要4交錯光子光源的CNOT設備已經(jīng)在以下文獻中有所描述D.Gottesman andI.Chuang，Nature，vol.402，p.390，1999(此后稱作GC)?？衫蒙鲜龅闹徊捎?交錯光子光源的CNOT設備700，來生成所需的4交錯光子光源。圖8是按照一個實施例表示的四個交錯光子的光源800的方框圖。
光源800包括非破壞CNOT700和兩個交錯光子的兩個附加光源850a，8560b。兩個交錯光子的每個附加光源850a，850b具有兩個輸出空間模式。光源850a具有第一輸出空間模式840a(在圖8中還標記為“1”)以及與CNOT700的控制輸入模式212a校準的第二輸出空間模式(在圖8中還標記為“2”)。光源850b具有第一輸出空間模式840b(在圖8中還標記為“4”)以及與CNOT700的靶輸入模式412a校準的第二輸出空間模式(在圖8中還標記為“3”)。光源800的四個輸出模式其次包括光源850a的輸出模式840a、光源850b的輸出模式840b、CNOT700的控制輸出模式740a(在圖8中還標記為“2”)以及CNOT700的輸出模式740b(在圖8中還標記為“3”)。該光源產(chǎn)生四個具有特定性質(zhì)的交錯光子的幾率為1/4。
對于用于GCCNOT的特定交錯光子狀態(tài)，每個光源850a，8560b產(chǎn)生處于公式8給出的交錯狀態(tài)中的兩個光子。
Φi，j＝(HiHj+ViVj)/√2 (8)其中i，j＝1，2’或3’，4通過給予具有集合態(tài)(也稱作“Bell狀態(tài)”)的2交錯光子的可靠光源，平均只需要四次嘗試，以產(chǎn)生四個交錯光子的特定狀態(tài)。在這種意義上，CNOT700提供了制備后面用于Knill項目執(zhí)行中的狀態(tài)的加速光源。
8.另一量子非破壞CNOT設備圖9是按照另一個實施例表示的利用四個交錯光子的量子CNOT900的方框圖。該項目與GC CNOT類似，但不同的是，在檢測器220a，220b，620a，620b中包括F-S PBSs(如下所述)。F-S PBSs消除了被檢光子中的H-V信息，并確保由CNOT900據(jù)此操作的光子的相干性。沒有實現(xiàn)對控制庫比特值或靶庫比特值的測量。
具有4交錯光子光源的GC CNOT比具有2交錯光子光源的CNOT700具有一些計算上的優(yōu)點。例如，GC CNOT在四個附屬光子上的可靠性克服了與不良光源和光子損耗有關的某些問題。而且，Knill業(yè)已描述了這樣一個處理過程在該過程中，利用更復雜的線性光學技術，可將與GC CNOT類似的草案中所需的庫比特的成功幾率任意增大到接近于1。這使得4交錯光子光源成幾率地產(chǎn)生。光源800恰恰是這種四個交錯光子的幾率光源。
8.1另一量子CNOT的結(jié)構概述另一CNOT900包括圖8的四個交錯光子的光源800(在圖9中還標記為x)，以及兩個H-V PBSs910，920。H-V PBS 910具有兩個輸入空間模式，即控制輸入模式912a(在圖9中還標記為“A”)以及與光源800的輸出模式840a(在圖9和圖8中還標記為“1”)校準的第二輸入空間模式。H-V PBS 910具有兩個輸出空間模式，即指向檢測器Dq 620a的輸出空間模式914a(在圖9中還標記為“q”)以及指向檢測器Dp 220a的輸出空間模式914b(在圖9中還標記為“p”)。數(shù)據(jù)線932a將有關檢測器Dp 220a中檢測的光子的信息承載到檢波后處理器930a中；以及，數(shù)據(jù)線932b將有關檢測器Dq 620a中檢測的光子的信息承載到檢波后處理器930a中。使光源800的輸出模式740a(在圖9和圖8中還標記為“2”)指向檢波后處理器930a?；谠跀?shù)據(jù)線932a或932b或二者之上接收的經(jīng)典數(shù)據(jù)，模式740A上的光子狀態(tài)被阻塞或被轉(zhuǎn)變或未改變地傳遞到檢波后處理器930a的第一設備輸出940a中。
H-V PBS 920具有兩個輸入空間模式，即靶輸入空間模式922a(在圖9中還標記為“B”)以及與光源800的輸出模式840b(在圖9和圖8中還標記為“4”)校準的第二輸入空間模式。H-V PBS 920具有兩個輸出空間模式，即指向檢測器Dn 620b的輸出空間模式924a(在圖9中還標記為“n”)以及指向檢測器Dm 220b的輸出空間模式924b(在圖9中還標記為“m”)。數(shù)據(jù)線932d將有關檢測器Dm 220b中檢測的光子的信息承載到檢波后處理器930b中；以及，數(shù)據(jù)線932c將有關檢測器Dn 620b中檢測的光子的信息承載到檢波后處理器930b中。使光源800的輸出模式740b(在圖9和圖8中還標記為“3”)指向檢波后處理器930b?；谠跀?shù)據(jù)線932c或932d或二者之上接收的經(jīng)典數(shù)據(jù)，模式740b上的光子狀態(tài)被阻塞或被變換或未改變地傳遞到檢波后處理器930b的第二設備輸出940b中。
按照圖示實施例，檢測器Dp 220a和Dm 220b是以上參照圖2B所述的F-S偏振敏感檢測器，而檢測器Dq 620a和Dn 620b是以上參照圖6B所述的F-S偏振敏感檢測器。F-S偏振敏感檢測器中的F-S PBSs消除了被檢光子中的H-V信息，并確保由CNOT900據(jù)此操作的光子的相干性。沒有實現(xiàn)對控制庫比特值或靶庫比特值的測量。
8.2另一量子CNOT的操作對于任意輸入光子A和B(分別為控制光子和靶光子)，由公式9a給出輸入的狀態(tài)ΨA，B。
ΨA，B＝(α1HAHB+α2HAVB+α3VAHB+α4VAVB) (9a)其中α1、α2、α3和α4的平方和為1。由公式9b給出模式“2”740a和“3”740b上的所需輸出態(tài)Ψ2，3。
Ψ2，3＝(α1H2H3+α2H2V3+α3V2V3+α4V2H3) (9b)如果交錯光源800具有公式9c給出的狀態(tài)x，那么當所需輸出在模式“2”740a和“3”740b上時，就滿足了在每個檢測器Dp220a、Dq620a、Dm220b、Dn620b檢測1AO1光子的狀況。
x＝1/2(H1H4H2H3+H1V42H2V3+V1H4VAV3+V1V4V2H3) (9c)這是由以上所述的光源800產(chǎn)生的狀態(tài)。
在GC CNOT中，這四個檢測器220a、620a、220b、620b不是F-S偏振敏感檢測器，并且只確定是否檢測到一個光子；而模式740a，740b上的輸出被阻塞，除非每個檢測器只檢測到一個光子。然而，有可能使模式740a，740b上的輸出光子的偏振與模式m924b，n924a，p914b，q914a上的光子的偏振進行交錯(即，相關)。任何這樣的交錯都導致比公式9b中所示的更復雜的最后狀態(tài)Ψ2，3。通過認為這樣的交錯可使檢測器提供有關控制和靶庫比特狀態(tài)的信息，并因此減小了設備的相干性，來理解這一點。按照圖示實施例900，消除了此交錯信息，因為四個檢測器220a、620a、220b、620b的每一個都測量F-S基準中的光子偏振。如上所述，諸如，由于F偏振光子是H和V偏振光子的等同疊加，從而測量沒有提供有關庫比特的原始值的信息，因此能夠證實這種消除。
利用這四個F-S偏振敏感檢測器，該替代型CNOT900具有1/4的成功幾率，如果光源800提供四個處于公式9c給出的狀態(tài)x中的光子的話。
9.擴展和替代在前面的說明書中，業(yè)已參照具體的實施例對本發(fā)明進行了描述。然而，顯而易見的是，可以作出各種改進和變型而不脫離本發(fā)明的廣闊精髓和范圍。因此，認為說明書和附圖是為了解釋說明的目的，而不具有限定意義。
權利要求
1.一種利用單光子的量子偏振態(tài)的邏輯設備，包括第一偏振分束器，所述分束器具有用于第一組正交偏振的多個第一輸入空間模式和多個第一輸出空間模式；第二偏振分束器，所述分束器具有用于不同于第一組的第二組正交偏振的一個第二輸入空間模式和多個第二輸出空間模式，所述第二輸入空間模式與所述多個第一輸出空間模式的第一檢波輸出空間模式校準；多個第一單光子檢測器，沿所述多個第二輸出空間模式中的不同模式設置每個單光子檢測器；以及，部分基于由多個第一單光子檢測器檢測到的大量光子，來承載輸出光子的第一設備輸出，其中用于特定組正交偏振的偏振分束器，傳輸?shù)竭_在一個輸出空間模式上具有特定組的一個偏振的特定輸入空間模式上的光子，并且還傳輸?shù)竭_在一個不同輸出空間模式上具有特定組的一個不同偏振的特定輸入空間模式上的光子。
2.如權利要求1所述的邏輯設備，其特征在于，在第一設備輸出上承載的光子進一步基于被傳輸?shù)蕉鄠€第一輸出空間模式的傳輸輸出空間模式上的光子，所述的傳輸輸出空間模式不同于檢波輸出空間模式。
3.如權利要求1所述的邏輯設備，其特征在于，相應于在多個第一輸入空間模式的每個輸入空間模式上接收單光子，只有在多個第一單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1時，所述第一設備輸出才承載光子。
4.如權利要求3所述的邏輯設備，其特征在于，第一設備輸出承載的光子表明，在多個第一輸入空間模式上接收的單光子具有類似的偏振態(tài)。
5.如權利要求3所述的邏輯設備，其特征在于，第一設備輸出承載的光子表明，在多個第一輸入空間模式上接收的單光子具有不相類似的偏振態(tài)。
6.如權利要求4所述的邏輯設備，其特征在于，第一設備輸出承載的光子具有與多個第一輸入空間模式上接收的單光子相同的偏振態(tài)，因此所述邏輯設備是量子奇偶檢驗設備。
7.如權利要求1所述的邏輯設備，其特征在于，使第二組正交偏振相對于第一組正交偏振旋轉(zhuǎn)45°。
8.如權利要求7所述的邏輯設備，其特征在于，當在多個第一單光子檢測器的第一檢測器中檢測到單光子時，多個第一輸出空間模式的傳輸輸出空間模式上的光子被引導到第一設備輸出中，所述傳輸輸出空間模式不同于所述檢波輸出空間模式。
9.如權利要求8所述的邏輯設備，其特征在于，所述設備還包括相移器，所述相移器使第一組正交偏振的一個偏振的疊加波幅反轉(zhuǎn)；以及當在多個第一單光子檢測器的不同于第一檢測器的第二檢測器上檢測到單光子時，將所述傳輸輸出空間模式上的光子引導到相移器的輸入中，而將相移器的輸出引導到第一設備輸出中。
10.如權利要求3所述的邏輯設備，其特征在于，第一設備輸出承載的光子具有輸出偏振態(tài)和倒裝靶偏振態(tài)，從而所述設備是受控非(CNOT)門，所述輸出偏振態(tài)是多個第一輸入模式的靶輸入模式上接收的靶光子的靶偏振態(tài)之一，在所述倒裝偏振態(tài)中，基于相對于多個第一輸入模式的控制輸入模式上接收的第二組控制光子，交換相對于第二組正交偏振的靶偏振態(tài)的波幅，所述的控制輸入模式不同于所述的靶輸入模式。
11.如權利要求10所述的邏輯設備，其特征在于，與控制光子具有相同偏振態(tài)的光子不從所述設備中輸出，從而所述邏輯設備是消耗控制光子的CNOT門。
12.如權利要求10所述的邏輯設備，其特征在于，將第一組正交偏振相對于第二組正交偏振旋轉(zhuǎn)45°。
13.如權利要求10所述的邏輯設備，其特征在于，如果控制光子具有與第一組正交偏振的第一偏振校準的偏振態(tài)，那么就將控制光子傳輸?shù)綑z波輸出空間模式上。
14.如權利要求10所述的邏輯設備，其特征在于，當在多個第一單光子檢測器的第一檢測器中檢測到單光子時，就將多個第一輸出空間模式的傳輸輸出空間模式上的光子引導到第一設備輸出中，所述傳輸輸出空間模式不同于所述檢波輸出空間模式。
15.如權利要求14所述的邏輯設備，其特征在于，所述設備還包括決定性地變換光子狀態(tài)的經(jīng)典變換部件；以及當在多個第一單光子檢測器的不同于第一檢測器的第二檢測器上檢測到單光子時，將所述傳輸輸出空間模式上的光子引導到經(jīng)典變換部件的輸入中，而將經(jīng)典變換部件的輸出引導到第一設備輸出中。
16.如權利要求15所述的邏輯設備，其特征在于，所述經(jīng)典變換部件包括偏振旋轉(zhuǎn)部件；以及相移器，所述相移器使第二組正交偏振的一個偏振的疊加波幅反轉(zhuǎn)。
17.如權利要求1所述的邏輯設備，其特征在于，所述邏輯設備還包括具有相關偏振的兩個交錯光子的光源，所述的交錯光子被引導到兩個相應的光源空間模式上；以及將所述光源空間模式的第一光源模式引導到第一偏振分束器的多個第一輸入空間模式的第一輸入模式中。
18.如權利要求17所述的邏輯設備，其特征在于，還包括第三偏振分束器，所述分束器具有用于第二組正交偏振的一個第三輸入空間模式和多個第三輸出空間模式，所述第三輸入空間模式與所述多個第一輸出空間模式的第二檢波輸出空間模式校準，所述第二檢波輸出空間模式不同于所述的檢波輸出空間模式；以及多個第二單光子檢測器，沿所述多個第三輸出空間模式之一設置第二多個單光子檢測器中的每個單光子檢測器。
19.如權利要求18所述的邏輯設備，其特征在于，相應于在多個第一輸入空間模式的第二輸入空間模式上接收單光子，只有在多個第一單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1，且多個第二單光子檢測器檢測的光子數(shù)也等于1時，所述第一設備輸出才承載光子，所述第二輸入空間模式不同于所述第一輸入模式。
20.如權利要求19所述的邏輯設備，其特征在于，第一設備輸出承載的光子與第二輸入模式上接收的單光子具有相同的偏振態(tài)，因此所述的邏輯設備用作量子繼電器。
21.如權利要求20所述的邏輯設備，其特征在于，還包括經(jīng)典輸出信號，所述信號指示出何時多個第一單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1，且多個第二單光子檢測器檢測的光子數(shù)也等于1。
22.如權利要求21所述的邏輯設備，其特征在于，將所述設備設置在光學通訊通道上，所述通道在由單光子的量子偏振態(tài)表示的庫比特發(fā)射器與所述庫比特接收器之間。
23.如權利要求22所述的邏輯設備，其特征在于，當所述經(jīng)典輸出信號指示出多個第一單光子檢測器檢測的光子數(shù)不等于1，或者多個第二單光子檢測器檢測的光子數(shù)不等于1時，所述接收器貼現(xiàn)被測的庫比特。
24.如權利要求17所述的邏輯設備，其特征在于所述邏輯設備還包括不同于第一設備輸出的第二設備輸出；以及第二設備輸出上承載的光子是基于光源空間模式的一個不同第二光源模式上承載的光子。
25.如權利要求24所述的邏輯設備，其特征在于，相應于在多個第一輸入空間模式的不同于第一輸入模式的第二輸入空間模式上接收單光子只有當多個單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1時，第一設備輸出才承載光子；以及只有當多個單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1時，第二設備輸出才承載光子。
26.如權利要求25所述的邏輯設備，其特征在于，第二設備輸出承載的光子和第一設備輸出承載的光子與第二輸入模式上接收的單光子具有相同的偏振態(tài)，因此所述邏輯設備是量子編碼器。
27.如權利要求24所述的邏輯設備，其特征在于，將第二組正交偏振相對于第一組正交偏振旋轉(zhuǎn)45°。
28.如權利要求17所述的邏輯設備，其特征在于，還包括第三偏振分束器，所述分束器具有用于第二組正交偏振的多個第二輸入空間模式和多個第三輸出空間模式，所述多個第三輸入空間模式的第三輸入空間模式與兩個光源空間模式的第二光源模式校準，所述第二光源模式不同于所述的第一光源空間模式；第四偏振分束器，所述分束器具有用于第一組正交偏振的一個第四輸入空間模式和多個第四輸出空間模式，所述第四輸入空間模式與多個第三輸出空間模式的第二檢波輸出空間模式校準；以及多個第二單光子檢測器，沿多個第四輸出空間模式之一設置多個第二單光子檢測器中的每個單光子檢測器。
29.如權利要求28所述的邏輯設備，其特征在于，相應于在第三偏振分束器的多個第二輸入空間模式的靶輸入模式上接收單靶光子，只有當多個第二單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1時，第二設備輸出才承載光子，所述靶輸入模式不同于第三輸入模式。
30.如權利要求29所述的邏輯設備，其特征在于，相應于在多個第一輸入空間模式的控制輸入模式上接收單控制光子，只有當多個第一單光子檢測器檢測的光子數(shù)等于1時，第一設備輸出才承載光子，所述控制輸入模式不同于第一輸入模式。
31.如權利要求30所述的邏輯設備，其特征在于，第二設備輸出承載的光子具有輸出偏振態(tài)和倒裝靶偏振態(tài)，從而所述設備是受控非(CNOT)門，所述輸出偏振態(tài)是靶光子的靶偏振態(tài)之一，在所述倒裝偏振態(tài)中，基于相對于第一組的控制光子的偏振態(tài)，交換相對于第一組正交偏振的靶偏振態(tài)的波幅。
32.如權利要求31所述的邏輯設備，其特征在于，第一設備輸出承載的光子與控制光子具有相同的偏振態(tài)，從而所述邏輯設備是不消耗控制光子的CNOT門。
33.如權利要求28所述的邏輯設備，其特征在于，將第二組正交偏振相對于第一組正交偏振旋轉(zhuǎn)45°。
34.如權利要求28所述的邏輯設備，其特征在于所述邏輯設備還包括具有相關偏振態(tài)的兩個交錯光子的多個附加光源，每個附加光源將兩個交錯光子引導到兩個相應的附加光源的空間模式上；將多個附加光源的第一附加光源的第一附加光源模式引導到第一偏振分束器的多個第一輸入空間模式的控制輸入模式中，所述控制輸入模式不同于第一輸入模式；以及將多個附加光源的一個不同第二附加光源的第二附加光源模式引導到第三偏振分束器的多個第二輸入空間模式的靶輸入空間模式中。
35.如權利要求34所述的邏輯設備，其特征在于所述邏輯設備還包括部分基于多個第二光子檢測器檢測的光子數(shù)承載光子的第二設備輸出；以及多個單光子具有相關的偏振態(tài)，所述多個單光子由第一設備輸出、第二設備輸出和第一附加光源的不同于第一附加光源模式的第三附加光源模式以及第二附加光源的不同于第三附加光源模式的第四附加光源模式承載。
36.一種在單光子的量子偏振態(tài)上執(zhí)行邏輯操作的方法，包括以下步驟將多個第一輸入空間模式傳送到用于第一組正交偏振的第一偏振分束器內(nèi)，以產(chǎn)生多個第一輸出空間模式；將多個第一輸出空間模式的第一檢波輸出空間模式傳送到用于不同于第一組的第二組正交偏振的第二偏振分束器內(nèi)，以產(chǎn)生多個第二輸出空間模式；將多個第二輸出空間模式傳到多個第一單光子器內(nèi)，將每個輸出空間模式傳送到相應的單光子檢測器內(nèi)；以及產(chǎn)生第一設備輸出，該設備輸出基于多個第一單光子檢測器檢測的光子數(shù)承載輸出光子，其中用于特定組正交偏振的偏振分束器，傳輸?shù)竭_在一個輸出空間模式上具有特定組的一個偏振的特定輸入空間模式上的光子，并且還傳輸?shù)竭_在一個不同輸出空間模式上具有特定組的一個不同偏振的特定輸入空間模式上的光子。
37.一種利用單光子的量子偏振態(tài)的邏輯設備的制造方法，包括將用于第一組正交偏振的第一偏振分束器的多個第一輸出空間模式的第一檢波輸出空間模式，連接到用于不同于第一組的第二組正交偏振的第二偏振分束器的第二輸入模式上，第一偏振分束器具有多個第一輸入空間模式，第二偏振分束器具有第二多個輸出空間模式；將多個單光子檢測器連接到多個第二輸出空間模式上，每個單光子檢測器沿多個第二輸出空間模式之一進行設置，且具有用于承載檢測信號的檢測輸出；以及將多個第一輸出空間模式的傳輸輸出空間模式以及來自多個單光子檢測器的檢測輸出連接到這樣的部件上該部件部分基于多個單光子檢測器檢測的光子數(shù)，在設備輸出空間模式上產(chǎn)生輸出光子，所述傳輸輸出空間模式不同于所述檢波輸出空間模式，其中用于特定組正交偏振的偏振分束器，傳輸?shù)竭_在一個輸出空間模式上具有特定組的一個偏振的特定輸入空間模式上的光子，并且還傳輸?shù)竭_在一個不同輸出空間模式上具有特定組的一個不同偏振的特定輸入空間模式上的光子。
全文摘要
一種利用單光子的量子偏振態(tài)執(zhí)行邏輯操作的方法和設備，包括第一偏振分束器，該分束器具有用于第一組正交偏振的多個第一輸入空間模式和多個第一輸出空間模式。第二偏振分束器具有用于第二組正交偏振的一個第二輸入空間模式和多個第二輸出空間模式。第二組正交偏振不同于第一組。第二輸入空間模式與第一檢波輸出空間模式校準。沿第二輸出空間模式中的每一個模式設置多個單光子檢測器中的一個單光子檢測器。第一設備輸出部分基于由單光子檢測器檢測到的大量光子來承載輸出光子。這樣的邏輯操作可在用于量子信息處理的量子計算機中使用。
文檔編號G02F3/00GK1639660SQ02819073
公開日2005年7月13日 申請日期2002年11月1日 優(yōu)先權日2001年11月6日
發(fā)明者托德·B·皮特曼, 詹姆斯·D·弗蘭森, 布賴恩·C·雅各布斯 申請人:約翰霍普金斯大學